DE112004001360T5 - Acoustic transducer - Google Patents

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Abstract

Akustischer Messwandler zur Messung einer Eigenschaft eines Fluids, welcher umfaßt:
einen akustischen Pulsgenerator;
eine Impedanzanpassungsschicht zwischen dem Impulsgenerator und dem Fluid, wobei die Anpassungsschicht aus einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit gebildet ist; und ein thermisches Managementsystem, das an der Anpassungsschicht angebracht ist, um von derselben Wärme abzuführen, wobei das Managementsystem aus einem Material mit einer gegenüber der Anpassungsschicht hohen thermischen Leitfähigkeit gebildet und derart längs der Anpassungsschicht angeordnet ist, daß von dem thermischen Managementsystem eine erhebliche Wärmemenge an die Umgebung abgegeben wird, und zwar ohne einen übermäßigen Temperaturanstieg am Pulsgenerator.
Acoustic transducer for measuring a property of a fluid comprising:
an acoustic pulse generator;
an impedance matching layer between the pulse generator and the fluid, wherein the matching layer is formed of a low thermal conductivity material; and a thermal management system attached to the matching layer for dissipating heat therefrom, wherein the management system is formed of a material having a high thermal conductivity opposite to the matching layer and disposed along the matching layer such that a significant amount of heat from the thermal management system arrives the environment is released without excessive temperature rise at the pulse generator.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

ErfindungsgebietTHE iNVENTION field

Die vorliegende Erfindung betrifft akustische Messwandler, einschließlich solcher, die in Durchflussmessern verwendet werden.The The present invention relates to acoustic transducers, including such which are used in flow meters.

Die Übertragung von Pulsen akustischer Energie durch ein Fluid ist zur Messung des Zustands und der Eigenschaften eines Fluids nützlich, speziell der Geschwindigkeit und der Temperatur. In akustischen Messwandlern werden allgemein piezokeramische Elemente zur Erzeugung von ultrasonischen akustischen Pulsen oder kontinuierlichen Wellenfeldern verwendet. Diese Keramiken verlieren jedoch Polarisation, wenn sie Temperaturen ausgesetzt werden, die ihren halben Curiepunkt überschreiten. Für kommerziell verfügbare Keramiken begrenzt dies die Betriebstemperatur der Keramik auf unter 200°C. Um in Fluiden oberhalb dieser Temperatur zu arbeiten, besteht ein Verfahren darin, eine Puffer- oder Verzögerungslinie zwischen dem piezokeramischen Element und dem Fluid (z. B. Abgas oder Auspuffgas) vorzusehen, wie in 1 dargestellt ist. 1 zeigt einen akustischen Messwandler 10. Der Messwandler umfasst ein piezokeramisches Element 12 und einen Puffer 14, der sich durch eine Wand 16 in das Fluid erstreckt, das als Abgas bzw. Auspuffgas dargestellt ist. Im Puffer 14 wird thermische Energie an einer internen konvektiven Grenzschicht 18 und an einer externen konvektiven Grenzschicht 20 abgegeben, wenn Wärme im Puffer 14 aufwärts zum piezokeramischen Element geführt wird. Puffer arbeiten nach Fouriers Gesetz der Wärmeleitung: q''κ = –κVTwobei q'' der Wärmefluss, κ die Wärmeleitfähigkeit und T die Temperatur ist. Detaillierte Lösungen dieser Gleichung erfordern numerische Methoden, aber mit einigen vereinfachenden Annahmen lässt sich ein Puffersystem auf ein konzentriertes Parametermodell reduzieren, das als der in 2 dargestellte Ersatzschaltkreis dargestellt werden kann. 2 illustriert den Auspuff bzw. das Abgas, die Pufferspitze, die Kristall- und Umgebungstemperaturen und die thermischen Widerstände der externen konvektiven Grenzschicht, des Puffers und der internen konvektiven Grenzschicht in einem konzentrierten Parametermodell.The transmission of pulses of acoustic energy through a fluid is useful for measuring the condition and properties of a fluid, especially velocity and temperature. In acoustic transducers, piezoceramic elements are generally used to generate ultrasound acoustic pulses or continuous wave fields. However, these ceramics lose polarization when exposed to temperatures exceeding half the Curie point. For commercially available ceramics this limits the operating temperature of the ceramic to below 200 ° C. In order to operate in fluids above this temperature, one method is to provide a buffer or delay line between the piezoceramic element and the fluid (eg, exhaust gas or exhaust gas), as in FIG 1 is shown. 1 shows an acoustic transducer 10 , The transducer comprises a piezoceramic element 12 and a buffer 14 that goes through a wall 16 extends into the fluid, which is shown as exhaust gas or exhaust gas. In the buffer 14 Thermal energy is transferred to an internal convective boundary layer 18 and at an external convective boundary layer 20 delivered when heat in the buffer 14 is guided upward to the piezoceramic element. Buffers work according to Fourier's law of heat conduction: q''κ = -κVT where q '' is the heat flux, κ is the thermal conductivity and T is the temperature. Detailed solutions to this equation require numerical methods, but with some simplifying assumptions, a buffering system can be reduced to a more concentrated parameter model, known as the in 2 shown equivalent circuit can be displayed. 2 illustrates the exhaust, the buffer tip, the crystal and ambient temperatures, and the thermal resistances of the external convective boundary layer, the buffer, and the internal convective boundary layer in a concentrated parameter model.

Für das in 2 dargestellte konzentrierte Parametermodell ist die Temperatur des Kristalls:

Figure 00020001
For the in 2 The concentrated parameter model shown is the temperature of the crystal:
Figure 00020001

Ein mit existierenden Puffersystemen verbundener Nachteil besteht darin, daß ein kurzer Puffer Probleme hat, wenn er mit heißen Fluiden arbeitet, während dann, wenn der Puffer länger gemacht wird, es erforderlich ist, daß der Puffer die Wellenfront in der gewünschten Richtung führt. Feste Puffer scheitern jedoch beim effektiven Führen des akustischen Pulses, was zu einem dispersiven Puffer führt, der den ultrasonischen Puls verzerrt und die Nützlichkeit des Durchflussmessers begrenzt.One The disadvantage associated with existing buffer systems is that the existence short buffer has problems when working with hot fluids while then if the buffer is longer is made, it is necessary that the buffer is the wavefront in the desired Direction leads. However, fixed buffers fail to effectively carry the acoustic pulse, resulting in a dispersive buffer, which is the ultrasound pulse distorted and usefulness limited the flow meter.

Zusätzliche Hintergrundinformationen können in den U.S.Patenten Nr. 5 756 360, 4 336 719, 5 217 018, 5 159 838, 6 343 511, 5 241 287, 4 743 870,5 438 999, 4 297 607 und 6 307 302 gefunden werden.additional Background information can in U.S. Patent Nos. 5,756,360; 4,336,719; 5,217,018; 5,159,838; 6,343,511, 5,241,287, 4,743,870.5, 438,999, 4,297,607 and 6,307,302 being found.

Aus den vorgenannten Gründen besteht ein Bedarf an einem verbesserten akustischen Messwandler.Out the above reasons There is a need for an improved acoustic transducer.

Zusammenfassung der ErfindungSummary the invention

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen akustischen Messwandler zu schaffen, der einen gegen Wärme abgeschirmten akustischen Anpassungskoppler mit integraler Kühlung umfasst.It It is an object of the present invention to provide an acoustic transducer to create one against heat includes shielded acoustic matching coupler with integral cooling.

Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein akustischer Messwandler geschaffen. Der Messwandler umfasst einen akustischen Pulsgenerator, eine Impedanzanpassungsschicht und ein thermisches Managementsystem. Der akustische Messwandler dient zur Messung einer Fluideigenschaft. Die Impedanzanpassungsschicht befindet sich zwischen dem Pulsgenerator und dem Fluid. Die Anpassungsschicht ist aus einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit gebildet. Das thermische Managementsystem ist an der Anpassungsschicht angebracht, um Wärme von der Anpassungsschicht zu übertragen. Das thermische Managementsystem ist aus einem Material mit einer gegenüber der Anpassungsschicht hohen thermischen Leitfähigkeit gebildet. Das thermische Managementsystem ist derart längs der Anpassungsschicht angeordnet, daß von dem thermischen Managementsystem ohne einen übermäßigen Temperaturanstieg am Pulsgenerator eine erhebliche Wärmemenge an die Umgebung abgegeben wird.In the practice of the present invention, an acoustic transducer is provided. The transducer includes an acoustic pulse generator, an impedance matching layer, and a thermal management system. The acoustic transducer is used to measure a fluid property. The impedance matching layer is located between the pulse generator and the fluid. The adaptation layer is made of a material with low thermal conductivity. The thermal management system is attached to the matching layer to transfer heat from the matching layer. The thermal management system is formed of a material having a high thermal conductivity with respect to the matching layer. The thermal management system is arranged along the matching layer such that a significant amount of heat is released to the environment from the thermal management system without excessive temperature rise at the pulse generator.

Der akustische Pulsgenerator ist vorzugsweise ein piezokeramisches Element zur Erzeugung eines ultrasonischen Pulses. Ein Impedanzanpassungsschicht-Typ eines Puffers ist einem traditionellen Puffer ähnlich, besitzt jedoch eine reduzierte Länge bis zu dem Punkt, wo wandernde Wellen nicht länger vorhanden sind und die mit Wellenleitern verbundenen Probleme keine Rolle spielen. Anders ausgedrückt, die Impedanzanpassungsschicht ist von einer Dicke, die klein genug ist, daß sich stehende Wellen bilden. Vorzugsweise ist der Pulsgenerator derart konfiguriert, daß er bei einer bestimmten Frequenz arbeitet, und die Anpassungsschicht besitzt eine Dicke, die einem ungeraden Vielfachen der Viertelwellenlänge (λ/4, 3λ/4, 5λ/4, ...) des Schalls in der Anpassungsschicht für die bestimmte Frequenz des Pulsgenerators näherungsweise gleich ist. Vorzugsweise ist die thermische Leitfähigkeit der Anpassungsschicht kleiner als 15 W/(m.K). Noch bevorzugter ist eine thermische Leitfähigkeit der Anpassungsschicht kleiner als 1W/(m.K). Die Anpassungsschicht kann aus Silika, vorzugsweise aus geschäumter Silika, hergestellt sein. Natürlich können alternativ Keramiken oder andere Materialien als Anpassungsschicht verwendet werden. Bei Herstellung der Anpassungsschicht aus einem leichtgewichtigen Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit, das gegen Korrosion resistenter als der Körper des Messwandlers ist, wird eine metallische Dichtungsschicht nicht benötigt und die Anpassungsschicht kann in direktem Kontakt mit dem Fluid stehen, das gerade gemessen wird, oder eine leichte bzw. dünne anti-reflektive Oberflächenbeschichtung aufweisen.Of the Acoustic pulse generator is preferably a piezoceramic element for generating an ultrasound pulse. An impedance matching layer type a buffer is similar to a traditional buffer but has one reduced length to the point where migratory waves are no longer present and the problems associated with waveguides do not matter. Different expressed the impedance matching layer is of a thickness small enough is that yourself form standing waves. Preferably, the pulse generator is such configured that he works at a certain frequency, and the adjustment layer has a thickness that is an odd multiple of the quarter wavelength (λ / 4, 3λ / 4, 5λ / 4, ...) of the sound in the adaptation layer for the particular frequency of the Pulse generator approximately is equal to. Preferably, the thermal conductivity the matching layer is less than 15 W / (m.K). Even more preferred a thermal conductivity the matching layer is less than 1W / (m.K). The adjustment layer may be made of silica, preferably of foamed silica. Naturally can alternatively ceramics or other materials as an adaptation layer be used. When making the matching layer of a lightweight material with low thermal conductivity, that is more resistant to corrosion than the body of the transducer, a metallic sealing layer is not needed and the matching layer can be in direct contact with the fluid being measured is, or a light or thin anti-reflective surface coating exhibit.

Das thermische Managementsystem kann bezüglich seines Materials und seiner Konfiguration variieren, vorausgesetzt, daß von dem thermischen Managementsystem eine erhebliche Wärmemenge in die Umgebung übertragen wird, und zwar ohne übermäßige Temperaturerhöhung am Pulsgenerator. Vorzugsweise beträgt die thermische Leitfähigkeit des thermischen Managementsystems zumindest 15 W/(m.K). Noch bevorzugter beträgt die thermische Leitfähigkeit des thermischen Managementsystems zumindest 100 W/(m.K). Das bevorzugte thermische Managementsystem umfasst eine Mehrzahl von am Halter angebrachten Finnen, um Wärme niedrig auf dem Körper des Anpassers zu verteilen.The thermal management system can regarding its material and its configuration vary, provided that of the Thermal management system transfer a significant amount of heat into the environment is, without excessive temperature increase on Pulse generator. Preferably the thermal conductivity of the thermal management system at least 15 W / (m.K). Even more preferable is the thermal conductivity of the thermal management system at least 100 W / (m.K). The preferred one thermal management system includes a plurality of on the holder attached fins to heat low on the body to distribute the adapter.

Während des Betriebs erstrecken sich zumindest ein Teil der Seiten der Anpassungsschicht und die Spitze der Anpassungsschicht in das Fluid hinein, das gerade gemessen wird. Bei einer bevorzugten Ausführung ist das thermische Managementsystem derart angeordnet, dass es den Teil der Seiten der Anpassungsschicht von der Hitze des Fluids isoliert, während die Spitze der Anpassungsschicht in Kontakt mit dem Fluid gelassen wird. Dies kann durch Isolierung des Teils der Seiten der Anpassungsschicht mittels eines Luftspalts erreicht werden, der vom thermischen Managementsystem gebildet wird. Schließlich umfasst bei der bevorzugten Anwendung das thermische Managementsystem eine Hülse über der Anpassungsschicht, um Wärme von der Anpassungsschicht zu übertragen.During the In operation, at least a portion of the sides of the adaptation layer extend and the tip of the matching layer into the fluid, straight is measured. In a preferred embodiment, the thermal management system is arranged so that it is the part of the sides of the matching layer isolated from the heat of the fluid while the top of the matching layer is left in contact with the fluid. This can be done by isolation reaches the part of the sides of the matching layer by means of an air gap which is formed by the thermal management system. Finally includes in the preferred application, the thermal management system Sleeve over the Adjustment layer to heat from to transfer the adaptation layer.

Ferner wird bei der Ausführung der Erfindung ein akustischer Messwandler in Kombination mit einer Einrichtung geschaffen, die eine Leitung umfaßt, durch die ein Fluid strömt. Die Kombination benutzt verschiedene der oben beschriebenen Merkmale. Die Einrichtung kann eine Vorrichtung zum Probenehmen oder Testen von Abgas bzw. Auspuffgas sein.Further will be in the execution The invention relates to an acoustic transducer in combination with a device created, comprising a conduit through which a fluid flows. The Combination uses various of the features described above. The device may include a device for sampling or testing be exhaust gas or exhaust gas.

Ferner wird bei der Ausführung der Erfindung ein Probeentnahmesystem geschaffen. Das System umfaßt einen Fluideinlaß für die Aufnahme eines Fluids, einen Verdünnungseinlaß zur Aufnahme eines Verdünnungsgases, einen Mischabschnitt für die Mischung zumindest eines Teils des Fluids mit dem Verdünnungsgas, und einen Sammelabschnitt für das Sammeln einer Probe der Mischung. Das System umfaßt ferner einen Durchflussmesser zur Messung eines mit dem Probensystem verbundenen Durchflusses. Der Durchflußmesser umfaßt einen akustischen Messwandler zur Messung des Durchflusses. Der Messwandler benutzt verschiedene oben beschriebene Merkmale. Bei einer Anordnung umfaßt der Durchflussmesser ein Paar akustischer Messwandler, die zur Messung des Durchflusses einander gegenüberliegend in einer Leitung angeordnet sind, durch die das Fluid fließt.Further will be in the execution invention provides a sampling system. The system includes a Fluid inlet for intake a fluid, a dilution inlet for receiving a diluent gas, a mixing section for the mixture of at least part of the fluid with the diluent gas, and a collection section for the Collect a sample of the mixture. The system further includes a flow meter for measuring a connected to the sample system Flow. The flowmeter comprises an acoustic transducer for measuring the flow. Of the Instrument transformer uses various features described above. at an arrangement The flow meter uses a pair of acoustic transducers for measurement the flow opposite each other are arranged in a conduit through which the fluid flows.

Ferner wird bei der Ausführung der Erfindung ein Probeentnahmesystem geschaffen. Das System umfaßt eine Probenentnahmelinie zur Entnahme von Proben eines Fluids aus einer Hauptleitung, und einen Durchflussmesser zur Messung eines Durchflusses des Fluids durch die Hauptleitung. Der Durchflussmesser umfaßt einen akustischen Messwandler zur Messung des Durchflusses. Das System umfaßt ferner einen Verdünnungseinlaß zur Aufnahme eines Verdünnungsgases, einen Mischabschnitt für die Mischung des Fluidflusses von der Probenentnahmelinie mit dem Verdünnungsgas in einem generell fixierten Verhältnis, und einen Sammelabschnitt zur Probenkontrolle der Mischung. Die Mischung wird in zeitlichen Abständen bzw. mit einer Geschwindigkeit geprüft, die dem Durchfluß des Fluids durch die Hauptleitung generell proportional ist. Der Messwandler verwendet verschiedene der oben beschriebenen Merkmale. Bei einer Anordnung umfaßt der Durchflußmesser ein Paar akustischer Messwandler, die einander gegenüberliegend in der Hauptleitung angeordnet sind.Further, in the practice of the invention, a sampling system is provided. The system includes a sampling line for taking samples of a fluid from a main conduit, and a flowmeter for measuring a flow of the fluid through the main conduit. The flowmeter includes an acoustic transducer for measuring the flow. The system further includes a ver a dilution inlet for receiving a diluent gas, a mixing section for mixing the fluid flow from the sampling line with the diluent gas in a generally fixed ratio, and a sample control collection section of the mixture. The mixture is tested at intervals or at a rate generally proportional to the flow of fluid through the main conduit. The transducer uses various of the features described above. In one arrangement, the flowmeter comprises a pair of acoustic transducers disposed opposite one another in the main conduit.

Die mit den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbundenen Vorteile sind zahlreich. Beispielsweise schaffen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen akustischen Messwandler, der einen gegen Wärme abgeschirmten akustischen Anpassungskoppler mit integraler Kühlung umfaßt, wobei die Anpassungsschicht ein an ihr angebrachtes thermisches Managementsystem besitzt, derart, daß vom thermischen Managementsystem erhebliche Wärme an die Umgebung übertragen wird, und zwar ohne übermäßige Temperaturerhöhung am Pulsgenerator.The with the embodiments The advantages associated with the present invention are numerous. For example, preferred embodiments of the present invention provide Invention an acoustic transducer, the shielded against heat Includes acoustic matching coupler with integral cooling, wherein the matching layer has attached to her thermal management system, such that the thermal Management system considerable heat transferred to the environment is, without excessive temperature increase on Pulse generator.

Die obige Aufgabe und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Einzelbeschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offenbar.The The above object and other objects, features and advantages of the present Invention will be apparent from the following detailed description of the preferred embodiment in conjunction with the attached Drawings apparently.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings

1 zeigt eine Verwendung eines Puffers nach dem Stand der Technik; 1 shows a use of a buffer according to the prior art;

2 zeigt einen elektrischen Ersatzschaltkreis der thermischen Pufferanordnung nach 1; 2 shows an electrical equivalent circuit of the thermal buffer assembly after 1 ;

3 zeigt einen akustischen Messwandler nach der vorliegenden Erfindung; 3 shows an acoustic transducer according to the present invention;

4 zeigt einen elektrischen Ersatzschaltkreis der in 3 dargestellten akustischen Messwandleranordnung; 4 shows an electrical equivalent circuit of in 3 illustrated acoustic transducer assembly;

5 zeigt ein Taschen-Miniverdünner-Probenentnahmesystem nach der vorliegenden Erfindung; und 5 shows a pocket mini thinner sampling system according to the present invention; and

6 zeigt einen Durchflussmesser in dem System nach 5. 6 shows a flow meter in the system 5 ,

Einzelbeschreibung der bevorzugten AusführungsformSingle Description the preferred embodiment

3 zeigt einen akustischen Messwandler 30 zur Messung einer Eigenschaft eines Fluids. Der Messwandler 30 umfaßt ein piezoelektrisches Element 32 und einen Puffer 34 vom Impedanzanpassungsschicht-Typ der sich durch die Wand 36 einer Leitung erstreckt, durch welche das Fluid strömt. Die Leitung ist Teil einer Vorrichtung, in welcher der akustische Messwandler 30 verwendet wird. Die Impedanzanpassungsschicht 34 ist aus einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit und geringem Gewicht hergestellt und besteht vorzugsweise aus geschäumter Silica. Die Impedanzanpassungsschicht ist von einer Dicke, die klein genug ist, daß sich stehende Wellen bilden. Die Dicke sollte ein ungerades Vielfaches der Viertelwellenlänge des Schalls in der Anpassungsschicht für die bestimmte Frequenz des Pulsgenerators sein. Der Messwandler 30 umfaßt auch ein thermisches Managementsystem, das aus einer Metallhülse 37 über der Anpassungsschicht 34 und dem piezoelektrischen Element 32 zusammengesetzt ist. 3 shows an acoustic transducer 30 for measuring a property of a fluid. The transducer 30 comprises a piezoelectric element 32 and a buffer 34 of the impedance matching layer type extending through the wall 36 a conduit through which the fluid flows. The conduit is part of a device in which the acoustic transducer 30 is used. The impedance matching layer 34 is made of a material of low thermal conductivity and low weight and is preferably made of foamed silica. The impedance matching layer is of a thickness small enough to form standing waves. The thickness should be an odd multiple of the quarter wavelength of the sound in the matching layer for the particular frequency of the pulse generator. The transducer 30 Also includes a thermal management system made of a metal sleeve 37 above the adjustment layer 34 and the piezoelectric element 32 is composed.

Die Hülse 37 erstreckt sich durch die Wand 36 und einen Metallschild 38 mit einem kleinen Luftspalt dazwischen und die Anpassungsschicht 34 bildet einen hohen Kontaktwiderstand im Vergleich zur konvektiven thermischen Grenzschicht 40. Der Metallschild 38 schützt den Puffer auch während der Installation und des Betriebs. Die Pufferspitze ist unter Verwendung eines eingebrannten Glaseinsatzes 43 am Metallschild 38 angesiegelt. Die Anpassungsschicht 34 kann mit einem anti-reflektiven Überzug 45 aus einem ultraleichten Material wie einem Aerogel überzogen sein, um die Signalqualität zu erhöhen. An der Hülse 37, die das piezoelektrische Element 32 hält, können Finnen 42 angebracht sein, um von unten am Körper der Anpassungsschicht 34 Wärme abzuführen. Eine Epoxy-Dichtung klebt die Hülse 37 mit minimalem Kontaktwiderstand an den Anpassungsschichtpuffer 34, um Wärme frei durch die Finnen 42 des thermischen Managementsystems fließen zu lassen. Ein Isolationsring 44 verhindert eine direkte Wärmeübertragung vom Schild 38 zur Hülse 37 und hält den Kristall auf der gleichen Temperatur wie die Hülse 37. 4 mit einem elektrischen Ersatzschaltkreis illustriert das Abgas bzw. den Auspuff, die Pufferspitze, den Kristall und die Umgebungstemperaturen, sowie die thermischen Widerstände der konvektiven Grenzschicht 40, des Puffers 34 und der Finnen 42. Der Pufferwiderstand ist gezeigt mit einem Teil des Widerstands vor den Finnen 42 und mit einem Teil des Widerstands hinter den Finnen 42, um die Verteilung der Wärme vom unteren Teil des Körpers der Anpassungsschicht 34 zu gestalten.The sleeve 37 extends through the wall 36 and a metal sign 38 with a small air gap in between and the matching layer 34 forms a high contact resistance compared to the convective thermal boundary layer 40 , The metal shield 38 also protects the buffer during installation and operation. The buffer tip is using a baked glass insert 43 on the metal sign 38 sealed. The adjustment layer 34 can with an anti-reflective coating 45 be coated from an ultra-light material such as an airgel to increase the signal quality. On the sleeve 37 that the piezoelectric element 32 Finns can 42 be appropriate to from below on the body of the adjustment layer 34 Dissipate heat. An epoxy seal glues the sleeve 37 with minimal contact resistance to the matching layer buffer 34 to release heat through the fins 42 of the thermal management system. An isolation ring 44 prevents direct heat transfer from the shield 38 to the sleeve 37 and keeps the crystal at the same temperature as the sleeve 37 , 4 with an equivalent electrical circuit illustrates the exhaust gas, the buffer tip, the crystal and the ambient temperatures, as well as the thermal resistances of the convective boundary layer 40 , the buffer 34 and the Finns 42 , The buffer resistance is shown with part of the resistance in front of the fins 42 and with part of the resistance behind the Finns 42 to the distribution of heat from the lower part of the body of the adjustment layer 34 to design.

Es wird gewürdigt, daß die Anpassungsschicht aus einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit und das thermische Managementsystem aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet werden, wobei die letztere längs der Anpassungsschicht derart angeordnet wird, daß eine erhebliche Wärme von den Finnen 42 in die Umgebung übertragen wird, und zwar ohne eine übermäßige Temperaturerhöhung am piezokeramischen Element. Das bedeutet, daß das Design vielfach variiert werden kann, während immer noch eine geeignete thermische Managementlösung erreicht werden kann, vorausgesetzt, daß der Puffer klein genug bleibt, um als eine Impedanzanpassungsschicht zu wirken, und das thermische Managementsystem niedrig genug am Anpassungssystem angebracht ist. Die Materialien der Anpassungsschicht und deren Eigenschaften können in Abhängigkeit von der Konfiguration und anderen Aspekten des thermischen Managementsystem variieren, z. B. in Abhängigkeit von dem Oberflächenbereich der Finnen.It is appreciated that the conformal layer of low thermal conductivity material and the thermal management system are formed of high thermal conductivity material, the latter being disposed along the conformance layer such that significant heat is emitted from the fins 42 is transferred to the environment, without an excessive increase in temperature on the piezoceramic element. That is, the design can be varied many times while still achieving a suitable thermal management solution, provided that the buffer remains small enough to act as an impedance matching layer and the thermal management system is low enough in the matching system. The materials of the matching layer and their properties may vary depending on the configuration and other aspects of the thermal management system, e.g. B. depending on the surface area of the fins.

5 verdeutlicht bei 60 ein Taschen-Miniverdünner-Probenentnahmesystem. Das Probenentnahmesystem umfaßt eine Hauptleitung mit einem Einlass 62 für die Aufnahme des Abgases. Der Durchflussmesser 64 mißt den Fluiddurchfluß durch die Hauptleitung und es wird das Gesamtabgasvolumen akkumuliert. Der Durchflussmesser stellt ein direktes Meßsignal für den Abgasdurchfluß zur Verfügung und besitzt zumindest einen akustischen Messwandler nach der vorliegenden Erfindung. In Abhängigkeit von der Verwirklichung kann ein Gebläse 66 beim Fluiddurchfluß durch die Leitung assistieren. 5 clarified at 60 a pocket mini thinner sampling system. The sampling system comprises a main conduit with an inlet 62 for the absorption of the exhaust gas. The flow meter 64 measures the fluid flow through the main pipe and accumulates the total exhaust gas volume. The flowmeter provides a direct exhaust flow measurement signal and has at least one acoustic transducer in accordance with the present invention. Depending on the realization, a blower 66 assist in fluid flow through the conduit.

Eine Probenentnahmelinie 68 entnimmt Abgasproben aus der Hauptleitung. Ein Verdünnungseinlaß 70 empfängt ein Verdünnungsgas. Eine stationäre Durchflussüberwachung 72 und eine stationäre Durchflussüberwachung 74 (Massendurchflussüberwachungen oder kritische Durchflussventuris) überwachen jeweils den Durchfluss des Verdünnungsgases und des probeentnommenen bzw. gesampelten Abgases, um ein generell fixiertes Verhältnis im Mischbereich zu schaffen. Eine Pumpe 76 pumpt die Mischung aus Verdünnungsgas und Abgasprobe für ein mögliches Sammeln in Taschen bzw. Beuteln 82. Eine proportionale Durchflusseinrichtung 78 sorgt für einen Zufluss zu den probensammelnden Beuteln 82, der dem Durchfluss durch die Hauptleitung proportional ist. Dementsprechend ist ein Bypass vorgesehen, um es zu ermöglichen, daß etwas von der Mischung an den Sammlern vorbeifließt.A sampling line 68 takes exhaust samples from the main line. A dilution inlet 70 receives a diluent gas. A stationary flow monitoring 72 and a steady flow monitoring 74 (Mass flow monitors or critical flow venturis) each monitor the flow of diluent gas and sampled exhaust gas to create a generally fixed ratio in the mixing zone. A pump 76 pumps the mixture of diluent gas and exhaust sample for possible collection in bags 82 , A proportional flow device 78 provides an inflow to the sample collecting bags 82 which is proportional to the flow through the main. Accordingly, a bypass is provided to allow some of the mixture to flow past the collectors.

6 verdeutlicht den Durchflussmesser 64 detaillierter und zeigt ein Paar akustischer Messwandler 30, die einander gegenüberliegend quer über die Leitung angeordnet sind. 6 illustrates the flow meter 64 in more detail, showing a pair of acoustic transducers 30 which are arranged opposite each other across the conduit.

Während Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist nicht beabsichtigt, daß diese Ausführungsbeispiele alle möglichen Formen der Erfindung verdeutlichen und beschreiben sollen. Vielmehr sind die in den vorliegenden Unterlagen verwendeten Worte solche der Beschreibung und nicht solche der Beschränkung und es versteht sich, daß vielfache Änderungen vorgenommen werden können, ohne sich vom Geist und vom Schutzbereich der Erfindung zu entfernen.During embodiments The invention has been shown and described, it is not intended that this embodiments all possible Illustrate and describe forms of the invention. Much more the words used in these documents are those the description and not those of limitation and it is understood that many changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Ein akustischer Messwandler (30) umfaßt einen akustischen Pulsgenerator (32), eine Impedanzanpassungsschicht (34) und ein thermisches Managementsystem (37, 42). Das thermische Managementsystem ist an der Anpassungsschicht angebracht, um von derselben Wärme abzuführen und ist aus einem Material mit einer gegenüber der Anpassungsschicht hohen thermischen Leitfähigkeit gebildet. Das thermische Managementsystem ist derart längs der Anpassungsschicht angeordnet, daß von dem thermischen Managementsystem eine erhebliche Wärmemenge an die Umgebung abgegeben wird, und zwar ohne einen übermäßigen Temperaturanstieg am Pulsgenerator.An acoustic transducer ( 30 ) comprises an acoustic pulse generator ( 32 ), an impedance matching layer ( 34 ) and a thermal management system ( 37 . 42 ). The thermal management system is attached to the matching layer to dissipate heat therefrom and is formed of a material having a high thermal conductivity with respect to the matching layer. The thermal management system is disposed along the matching layer so that a significant amount of heat is released to the environment by the thermal management system without excessive temperature rise at the pulse generator.

Claims (27)

Akustischer Messwandler zur Messung einer Eigenschaft eines Fluids, welcher umfaßt: einen akustischen Pulsgenerator; eine Impedanzanpassungsschicht zwischen dem Impulsgenerator und dem Fluid, wobei die Anpassungsschicht aus einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit gebildet ist; und ein thermisches Managementsystem, das an der Anpassungsschicht angebracht ist, um von derselben Wärme abzuführen, wobei das Managementsystem aus einem Material mit einer gegenüber der Anpassungsschicht hohen thermischen Leitfähigkeit gebildet und derart längs der Anpassungsschicht angeordnet ist, daß von dem thermischen Managementsystem eine erhebliche Wärmemenge an die Umgebung abgegeben wird, und zwar ohne einen übermäßigen Temperaturanstieg am Pulsgenerator.An acoustic transducer for measuring a property of a fluid, comprising: an acoustic pulse generator; an impedance matching layer between the pulse generator and the fluid, wherein the matching layer is formed of a low thermal conductivity material; and a thermal manage The system is mounted on the matching layer to dissipate heat therefrom, wherein the management system is formed of a material having a high thermal conductivity over the matching layer and disposed along the matching layer such that a significant amount of heat is released from the thermal management system to the environment without excessive temperature rise at the pulse generator. Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die thermische Leitfähigkeit der Anpassungsschicht kleiner als 15 W/(m.K) ist.Acoustic transducer according to claim 1, wherein the thermal conductivity the matching layer is less than 15 W / (m.K). Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die thermische Leitfähigkeit der Anpassungsschicht kleiner als 1 W/(m.K) ist.Acoustic transducer according to claim 1, wherein the thermal conductivity the matching layer is less than 1 W / (m.K). Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die Anpassungsschicht aus geschäumter Silika hergestellt ist.Acoustic transducer according to claim 1, wherein the adaptation layer of foamed Silica is made. Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die Anpassungsschicht aus Silika hergestellt ist.Acoustic transducer according to claim 1, wherein the matching layer is made of silica. Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die thermische Leitfähigkeit des thermischen Managementsystems zumindest 15 W/(m.K) beträgt.Acoustic transducer according to claim 1, wherein the thermal conductivity of the thermal management system is at least 15 W / (m.K). Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die thermische Leitfähigkeit des thermischen Managementsystems zumindest 100 W/(m.K) beträgt.Acoustic transducer according to claim 1, wherein the thermal conductivity of the thermal management system is at least 100 W / (m.K). Pulsgenerator, der derart konfiguriert ist, daß er bei einer Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem der bestimmten Frequenz arbeitet, und die Anpassungsschicht eine Dicke besitzt, die einem ungeraden Vielfachen der Viertelwellenlänge des Schalls in der Anpassungsschicht für die bestimmte Frequenz des Pulsgenerators näherungsweise gleich ist.Pulse generator, which is configured so that it An acoustic transducer according to claim 1, wherein the particular Frequency works, and the matching layer has a thickness, which is an odd multiple of the quarter wavelength of the Sound in the adaptation layer for the particular frequency of the Pulse generator approximately is equal to. Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem das thermische Managementsystem eine Mehrzahl von Finnen aufweist.Acoustic transducer according to claim 1, wherein the thermal management system comprises a plurality of fins. Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem der akustische Generator ein piezoelektrisches Element zur Erzeugung eines ultrasonischen Pulses ist.Acoustic transducer according to claim 1, wherein the acoustic generator is a piezoelectric element for generating an ultrasonic pulse. Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die Anpassungsschicht eine Oberflächenbeschichtung aufweist, die sich in Kontakt mit dem Fluid befindet, das gemessen wird.Acoustic transducer according to claim 1, wherein the matching layer has a surface coating, which is in contact with the fluid being measured. Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem während des Betriebs sich zumindest ein Teil der Seiten und die Spitze der Anpassungsschicht in das Fluid erstrecken, das gerade gemessen wird, und bei welchem das thermische Managementsystem derart angeordnet ist, daß es den Teil der Seiten der Anpassungsschicht von der Wärme des Fluids isoliert, während es die Spitze der Anpassungsschicht in Kontakt mit dem Fluid belässt.Acoustic transducer according to claim 1, wherein while at least part of the pages and the top of the page Extend adjustment layer into the fluid being measured and wherein the thermal management system is arranged Is that it is the part of the sides of the adaptation layer of the heat of the Fluids isolated while it leaves the tip of the matching layer in contact with the fluid. Akustischer Messwandler nach Anspruch 12, bei welchem die isolierten Teile der Seiten der Anpassungsschicht mittels eines Luftspalts isoliert werden, der vom thermischen Managementsystem gebildet wird.Acoustic transducer according to claim 12, wherein the isolated parts of the sides of the matching layer by means of a Air gap isolated from the thermal management system is formed. Akustischer Messwandler zur Messung einer Eigenschaft eines Fluids, welcher umfaßt: einen akustischen Pulsgenerator; eine Impedanzanpassungsschicht zwischen dem Impulsgenerator und dem Fluid, wobei die Anpassungsschicht aus einem Material mit einer thermischer Leitfähigkeit gebildet ist, die kleiner ist als 1 W/(m.K); und ein thermisches Managementsystem, das eine Hülse über der Anpassungsschicht aufweist, um Wärme von der Anpassungsschicht abzuführen, wobei das thermische Managementsystem aus einem Material mit einer gegenüber der Anpassungsschicht hohen thermischen Leitfähigkeit gebildet und derart längs der Anpassungsschicht angeordnet ist, daß von dem thermischen Managementsystem eine erhebliche Wärmemenge an die Umgebung abgegeben wird, und zwar ohne einen übermäßigen Temperaturanstieg am Pulsgenerator.Acoustic transducer for measuring a property a fluid comprising: one acoustic pulse generator; an impedance matching layer between the pulse generator and the fluid, wherein the matching layer of a material with a thermal conductivity is formed, the smaller is 1 W / (m.K); and a thermal management system that has a Sleeve over the Adaptation layer has to heat dissipate from the adaptation layer, wherein the thermal management system of a material with respect to the Adaptation layer formed high thermal conductivity and such along the Matching layer is arranged that of the thermal management system a considerable amount of heat is released to the environment, without an excessive increase in temperature on the pulse generator. Akustischer Messwandler nach Anspruch 14, bei welchem die thermische Leitfähigkeit des thermischen Managementsystems zumindest 15 W/(m.K) beträgt.Acoustic transducer according to claim 14, wherein the thermal conductivity of the thermal management system is at least 15 W / (m.K). Akustischer Messwandler nach Anspruch 14, bei welchem die thermische Leitfähigkeit des thermischen Managementsystems zumindest 100 W/(m.K) beträgt.Acoustic transducer according to claim 14, wherein the thermal conductivity of the thermal management system is at least 100 W / (m.K). Akustischer Messwandler nach Anspruch 14, bei welchem der Pulsgenerator derart konfiguriert ist, daß er bei einer bestimmten Frequenz arbeitet, und die Anpassungsschicht eine Dicke besitzt, die einem ungeraden Vielfachen der Viertelwellenlänge des Schalls in der Anpassungsschicht für die bestimmte Frequenz des Pulsgenerators näherungsweise gleich ist.Acoustic transducer according to claim 14, wherein the pulse generator is configured to operate at a particular frequency works and the matching layer has a thickness equal to one odd multiples of the quarter wavelength of the sound in the matching layer for the certain frequency of the pulse generator is approximately equal. Akustischer Messwandler nach Anspruch 14, bei welchem das thermische Managementsystem eine Mehrzahl von Finnen aufweist, die sich von der Hülse nach außen erstrecken.Acoustic transducer according to claim 14, wherein the thermal management system comprises a plurality of fins, extending from the sleeve outward extend. Akustischer Messwandler nach Anspruch 14, bei welchem der akustische Generator ein piezoelektrisches Element zur Erzeugung eines ultrasonischen Pulses ist.Acoustic transducer according to claim 14, wherein the acoustic generator is a piezoelectric element for generating an ultrasonic pulse. Akustischer Messwandler nach Anspruch 14, bei welchem die Anpassungsschicht eine Oberflächenbeschichtung aufweist, die sich in Kontakt mit dem Fluid befindet, das gemessen wird.Acoustic transducer according to claim 14, wherein the matching layer has a surface coating, which is in contact with the fluid being measured. Akustischer Messwandler nach Anspruch 14, bei welchem während des Betriebs sich zumindest ein Teil der Seiten und die Spitze der Anpassungsschicht in das Fluid erstrecken, das gerade gemessen wird, und bei welchem das thermische Managementsystem derart angeordnet ist, daß es den Teil der Seiten der Anpassungsschicht von der Wärme des Fluids isoliert, während es die Spitze der Anpassungsschicht in Kontakt mit dem Fluid belässt.Acoustic transducer according to claim 14, wherein while at least part of the pages and the top of the page Extend adjustment layer into the fluid being measured and wherein the thermal management system is arranged Is that it is the part of the sides of the adaptation layer of the heat of the Fluids isolated while it leaves the tip of the matching layer in contact with the fluid. Akustischer Messwandler nach Anspruch 21, bei welchem die isolierten Teile der Seiten der Anpassungsschicht mittels eines Luftspalts isoliert werden, der vom thermischen Managementsystem gebildet wird.Acoustic transducer according to claim 21, wherein the isolated parts of the sides of the matching layer by means of a Air gap isolated from the thermal management system is formed. In Kombination mit einer Vorrichtung, die eine Leitung besitzt, in der ein Fluid strömt, die Verbesserung, welche umfaßt: einen akustischen Messwandler zur Messung einer Eigenschaft eines Fluids, welcher besitzt einen akustischen Pulsgenerator, eine Impedanzanpassungsschicht und ein thermisches Managementsystem, wobei die Impedanzanpassungsschicht sich zwischen dem Impulsgenerator und dem Fluid befindet, die Anpassungsschicht aus einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit gebildet ist, und das thermische Managementsystem an der Anpassungsschicht angebracht ist, um von derselben Wärme abzuführen, und wobei das Managementsystem aus einem Material mit einem gegenüber der Anpassungsschicht hohen thermischen Leitfähigkeit gebildet und derart längs der Anpassungsschicht angeordnet ist, daß von dem thermischen Managementsystem eine erhebliche Wärmemenge an die Umgebung abgegeben wird, und zwar ohne einen übermäßigen Temperaturanstieg am Pulsgenerator.In combination with a device that has a lead has, in which a fluid flows, the improvement which comprises: one acoustic transducer for measuring a property one Fluids, which owns an acoustic pulse generator, a Impedance matching layer and a thermal management system, wherein the impedance matching layer is between the pulse generator and the fluid is the matching layer of a material with low thermal conductivity is formed, and the thermal management system at the adaptation layer attached to dissipate heat from the same, and the management system made of a material with a high compared to the matching layer thermal conductivity formed and such longitudinal the adaptation layer is arranged that of the thermal management system a considerable amount of heat is released to the environment, without an excessive increase in temperature on the pulse generator. Probenentnahmesystem mit einem Fluideinlass für die Aufnahme eines Fluids; einem Verdünnungseinlass für die Aufnahme eines Verdünnungsgases; einem Mischabschnitt für das Mischen zumindest eines Teils des Fluids mit dem Verdünnungsgas; einem Sammelabschnitt für das Sammeln einer Probe der Mischung; und einem Durchflussmesser zur Messung des Durchflusses bezüglich des Probenentnahmesystems, wobei der Durchflussmesser umfaßt einen akustischen Messwandler zur Messung des Durchflusses, welcher aufweist einen akustischen Pulsgenerator, eine Impedanzanpassungsschicht und ein thermisches Managementsystem, wobei die Impedanzanpassungsschicht sich zwischen dem Impulsgenerator und dem Fluid befindet, die Anpassungsschicht aus einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit gebildet ist, und das thermische Managementsystem an der Anpassungsschicht angebracht ist, um von derselben Wärme abzuführen, und wobei das Managementsystem aus einem Material mit einem gegenüber der Anpassungsschicht hohen thermischen Leitfähigkeit gebildet und derart längs der Anpassungsschicht angeordnet ist, daß von dem thermischen Managementsystem eine erhebliche Wärmemenge an die Umgebung abgegeben wird, und zwar ohne einen übermäßigen Temperaturanstieg am Pulsgenerator.Sampling system with a fluid inlet for the Receiving a fluid; a dilution inlet for intake a diluent gas; one Mixing section for mixing at least a portion of the fluid with the diluent gas; one Collection section for collecting a sample of the mixture; and a flow meter for measuring the flow with respect to the sampling system, wherein the flowmeter comprises a acoustic transducer for measuring the flow, which has one acoustic pulse generator, an impedance matching layer and a thermal management system, wherein the impedance matching layer is between the pulse generator and the fluid, the matching layer made of a material with low thermal conductivity is formed, and the thermal management system at the adaptation layer attached to dissipate heat from the same, and the management system made of a material with a high compared to the matching layer thermal conductivity formed and such longitudinal the adaptation layer is arranged that of the thermal management system a considerable amount of heat is released to the environment, without an excessive increase in temperature on the pulse generator. Probenentnahmesystem nach Anspruch 24, bei welchem der Durchflußmesser ein Paar akustischer Messwandler aufweist, die zur Messung des Durchflusses einander gegenüberliegend in einer Leitung angeordnet sind, durch die das Fluid fließt.A sampling system according to claim 24, wherein the flow meter a pair of acoustic transducers, which measure the flow opposite each other are arranged in a conduit through which the fluid flows. Probenentnahmesystem mit: einer Probenentnahmelinie zur Entnahme von Proben eines Fluids aus einer Hauptleitung; einem Durchflussmesser zur Messung eines Durchflusses eines Fluids durch die Hauptleitung, wobei der Durchflußmesser umfaßt einen akustischer Messwandler zur Messung des Durchflusses, welcher wiederum aufweist einen akustischen Pulsgenerator, eine Impedanzanpassungsschicht und ein thermisches Managementsystem, wobei die Impedanzanpassungsschicht sich zwischen dem Impulsgenerator und dem Fluid befindet, die Anpassungsschicht aus einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit gebildet ist, und das thermische Managementsystem an der Anpassungsschicht angebracht ist, um von derselben Wärme abzuführen, und wobei das Managementsystem aus einem Material mit einem gegenüber der Anpassungsschicht hohen thermischen Leitfähigkeit gebildet und derart längs der Anpassungsschicht angeordnet ist, daß von dem thermischen Managementsystem eine erhebliche Wärmemenge an die Umgebung abgegeben wird, und zwar ohne einen übermäßigen Temperaturanstieg am Pulsgenerator.Sampling system with: a sampling line for taking samples of a fluid from a main conduit; a flowmeter for measuring a flow of fluid through the main conduit, the flowmeter including a flow rate acoustic transducer which in turn comprises an acoustic pulse generator, an impedance matching layer and a thermal management system, the impedance matching layer being between the pulse generator and the fluid, the matching layer is formed of a material having a low thermal conductivity, and the thermal management system is attached to the matching layer to dissipate heat therefrom, and wherein the management system is formed of a material having a high thermal conductivity superior to the matching layer and thus arranged along the matching layer is that a significant amount of heat is released from the thermal management system to the environment, without an excessive increase in temperature at the pulse generator. Probenentnahmesystem nach Anspruch 26, bei welchem der Durchflussmesser ein Paar akustischer Messwandler aufweist, die zur Messung des Durchflusses einander gegenüberliegend in einer Leitung angeordnet sind, durch die das Fluid fließt.A sampling system according to claim 26, wherein the flow meter has a pair of acoustic transducers, that for measuring the flow opposite each other in a line are arranged, through which the fluid flows.
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